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菠菜霜霉病田间抗性数量性状位点及基因组选择

发布时间:2022-11-14
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菠菜(Spinacia oleracea L.)已成为全球日益重要的经济蔬菜作物,估计年价值达 118 亿美元。除了其经济重要性外,菠菜是人类饮食中最健康的蔬菜之一,因为它含有高浓度的营养成分和促进健康的化合物。由卵菌 Peronospora effusasyn. P. farinosa f. sp. spinaciae, Pfs)引起的霜霉病是菠菜中最常见的病害。利用抗病品种是一个经济有效并利于环境的防治方法。

20229月,Horticulture Research 在线发表了美国阿肯色大学施爱农团队题为Resequencing worldwide spinach germplasm for identification of field resistance QTLs to downy mildew and assessment of genomic selection methods 的研究文章。

目前,已报道了13 个抗性位点,并且已开发了一系列抗性菠菜品系。到目前为止,还没有一个基因能够对菠菜生产中的所有已知菌系Pe1 Pe19提供抗性。由于霜霉病新菌株不断涌现并克服抗性基因,因此使用数量性状(quantitative traits loci, QTL)来抗霜霉病是病害管理的一种替代方法。已经证明菠菜存在对霜霉病的田间耐病性。理想情况下,在商业栽培品种中使用主效基因和 QTL 的组合将为菠菜提供持久的霜霉病抗性。本研究的目的是评估全球菠菜种质资源和商业品种在田间条件下并自然病害接种压力下对霜霉病病原体的抗病性,并进行全基因组关联分析(GWAS)以确定与田间抗性相关的基因位点。此外,使用六种不同的基因组预测(Genomic prediction, GP)模型对GWAS 鉴定的对霜霉病病病菌抗性的几个标记子集进行分析,以评估基因组选择(Genomic selection, GS)在霜霉病抗性的应用前景。

本研究使用434个菠菜种质,在美国加利福尼亚州萨利纳斯(Salinas, Colifornia)的美国农业部研究站和亚利桑那州的亚利桑那大学,在自然接种压力下的田间条件下,对菠菜霜霉病严重程度进行了为期两年的筛选. 并用88,682 个单核苷酸多态性 single nucleotide polymorphism, SNP)进行遗传多样性和 GWAS 分析。GWAS TASSEL 5 中的单标记回归(SMR)、一般线性模型(GLM)和混合线性模型 MLM)以及 GAPIT 3 中的 BLINKFarmCPU GLM 模型进行分析。GS 模型是由岭回归最佳线性无偏预测(rrBLUP)、随机森林(random forest, RF)和贝叶斯模型(Bayesian ABayesian BBayesian LASSO Bayesian ridge regression)分析。GWAS 鉴定了14 SNP 标记(LOD 值高于 6.25)与对霜霉病病原体的抗性显着相关(图 1)主要位于 3 号染色体的 7.5 11.3 Kb区域 ,特别是来自编码 NBS-LRR 蛋白的 SOV3g001030 SOV3g000980 基因附近。一般预测准确度>52%GWAS 相关的 SNP 小子集能预测60%。证实了用少量标记来提高菠菜对霜霉病病原体的抗性的可能性(图 2)。评估和量化种质资源对霜霉病病原体抗性的遗传变异以及分子标记的进一步鉴定和验证可能会提高开发并改善的持久抗性的菠菜品种的效率。了解菠菜-霜霉病病原体的相互作用、霜霉病病原体的毒力进化以及遗传抗性的功能是我们推进分子基因组资源以实现遗传抗性的一些有针对性和有效的方法。这项研究为培育对霜霉病病原体具有更高抗性的菠菜提供了新的信息和分子资源。

1 菠菜霜霉病抗性全基因组关联分析(Genome-wide association study, GWAS图中曼哈顿(Manhattan plot)和QQQQ-plot)图谱被绘制是根据2017年加利福尼亚州萨利纳斯(Salinas, California)(CA2017)和2018年圣胡安包蒂斯塔(San Juan Bautista, California)(CA2018SJB)田间条件下评估的霜霉病抗性数据,用 BLINK FarmCPU模型进行全基因组关联分析

2 菠菜霜霉病抗性基因组预测(Genomic prediction, GP)的准确度估计:根据2017年在加利福尼亚州萨利纳斯(Salinas, California)(CA2017)、2018年在加利福尼亚州圣胡安包蒂斯塔(San Juan Bautista, California)(CA2018SJB)、 2018年和2019年在亚利桑那州尤马(Yuma, Arizona)(AZ2018, AZ2019)的田间条件下的菠菜霜霉病抗性数据,用六个模型预测七个相关的单核苷酸多态性(SNP)标记估计数据集的预测准确性

Gehendra Bhattarai博士为第一作者,Gehendra Bhattarai博士、施爱农博士、牟北泉博士、James C. Correll博士为本文共同通讯作者。该研究是美国阿肯色大学园艺系施博士实验室正在进行的研究项目的一部分,在与美国农业部的牟博士、阿肯色大学昆虫和植物病理系的Correll博士合作完成的。这项研究由美国农业部特殊作物研究计划(USDA-SCRI)和美国农业部农业营销服务部特殊作物多州计划 USDA-AMS SCMP)授予。

作者团队简介

施爱农实验室从事芝麻菜、豇豆和菠菜等蔬菜作物的经典和分子遗传育种、品种培育、种质资源开发和利用。他的实验室进行主效基因和数量性状(QTL)的定位, 全基因组关联分析(GWAS)和基因组预测(Genomic prediction, GP),使用第二代和第三代测序技术鉴定与芝麻菜, 豇豆、四季豆、大豆、菠菜和番茄中的农艺、抗病性和耐盐和耐旱性状相关的SNP标记,例如全基因组测序和重测序(WGSWGR)、ddRADseqGBS。他的团队使用转录组(RNAseq isoSeq)进行基因表达研究;使用转录组和全基因组亚硫酸氢盐测序(WGBS)进行表观遗传研究;标记辅助选择(MAS)和基因组选择(GS)。

文章链接:

https://doi.org/10.1093/hr/uhac205

数据来源 : 园艺研究